ITMI20100656A1

ITMI20100656A1 - RADIATION DETECTION DEVICE EMITTED BY EXTENSIVE LIGHT SOURCES.

Info

Publication number: ITMI20100656A1
Application number: IT000656A
Authority: IT
Inventors: Luigi Argenti; Sergio Pellegrino
Original assignee: Laser Point S R L
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-17

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

dell'invenzione industriale avente per titolo: of the industrial invention entitled:

“Dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da sorgenti luminose estese.” "Device for detecting the radiation emitted by extended light sources."

La presente invenzione concerne un dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da sorgenti luminose estese. The present invention relates to a device for detecting the radiation emitted by extended light sources.

La misura della potenza luminosa totale emessa dalle sorgenti estese rappresenta un problema tecnico di notevole portata. Innumerevoli sono gli esempi di sorgenti emettenti radiazione luminosa da superfici variamente strutturate e connesse. Un esempio di sorgente estesa radiale è rappresentato dai tubi al neon, che emettono su grandi lunghezze e a 360° attorno all'asse del tubo stesso. Un altro esempio di sorgente estesa planare sono i LED utilizzati per retroilluminare i display a cristalli liquidi, la cui estensione spaziale può essere notevole e superare la misura del metroquadrato. Un ulteriore esempio di sorgente estesa radiale è rappresentato dai diffusori a fibra ottica utilizzati nella terapia medica in cui la radiazione di un laser viene accoppiata in una fibra ottica dotata di un terminale diffusivo, ovvero che emette radiazione con simmetria circa cilindrica di lunghezza variabile tipicamente tra 10 e 100 mm. Tale caratteristica emissiva consente di effettuare trattamenti terapici antitumorali introducendo endoscopicamente la fibra nel paziente, sino a raggiungere la parte da trattare, che può essere in zona polmonare, gastrointestinale o altro. La radiazione luminosa attiva stati metastabili di sostanze chimiche fotosensibilizzabili (ad esempio porfirine) che si accumulano preferenzialmente nei tessuti anormali. Tali stati metastabili trasferiscono in seguito l’energia all’ossigeno biologico presente nei tessuti generando ossigeno nascente, estremanete reattivo che esercita l’azione terapeutica localizzata, necrotizzando le cellule maligne. Le sorgenti luminose utilizzate per applicazioni endoscopiche sono tipicamente laser emettenti nel rosso, la cui lunghezza d’onda dipende dal tipo di farmaco utilizzato, mentre in dermatologia si utilizzano anche matrici di LED e sorgenti IPL (luce pulsata). The measurement of the total light power emitted by the extended sources represents a technical problem of considerable magnitude. There are countless examples of sources emitting light radiation from variously structured and connected surfaces. An example of an extended radial source is represented by neon tubes, which emit over great lengths and 360 ° around the axis of the tube itself. Another example of an extended planar source are the LEDs used to backlight liquid crystal displays, whose spatial extension can be considerable and exceed the size of the square meter. A further example of an extended radial source is represented by the optical fiber diffusers used in medical therapy in which the radiation of a laser is coupled into an optical fiber equipped with a diffusive terminal, i.e. that emits radiation with approximately cylindrical symmetry of variable length typically between 10 and 100 mm. This emissive characteristic makes it possible to carry out antitumor therapy treatments by endoscopically introducing the fiber into the patient, until it reaches the part to be treated, which can be in the lung, gastrointestinal or other area. Light radiation activates metastable states of photosensitizable chemicals (e.g. porphyrins) which accumulate preferentially in abnormal tissues. These metastable states then transfer the energy to the biological oxygen present in the tissues, generating nascent oxygen, extremely reactive that exerts the localized therapeutic action, necrotizing the malignant cells. The light sources used for endoscopic applications are typically red-emitting lasers, whose wavelength depends on the type of drug used, while in dermatology, LED matrices and IPL (pulsed light) sources are also used.

La misura della potenza luminosa totale di tali sorgenti è usualmente affrontato mediando la sorgente luminosa con le cosiddette "sfere di integrazione" che consistono di cavità (possibilmente sferiche) ricoperte all'interno da materiale diffusore ad altissima riflettività (tipicamente > 95%). In particolare l’interno di tali sfere è ricoperto di materiale diffusivo Lambertiano ad ampio intervallo spettrale. La radiazione luminosa delle sorgenti poste all'interno di tali cavità o ad essa affacciate viene uniformata perdendo qualunque riferimento spaziale e potendo quindi essere misurata con precisione. Lo schema di misura implica quindi che la sorgente da misurare sia posta in un mezzo omogeneizzatore e misurata mediante un sensore di area spazialmente ridotta ed indipendente rispetto alle dimensioni della sorgente stessa. The measurement of the total light power of these sources is usually performed by mediating the light source with the so-called "integration spheres" which consist of cavities (possibly spherical) covered inside with very high reflectivity diffuser material (typically> 95%). In particular, the interior of these spheres is covered with Lambertian diffusive material with a wide spectral range. The light radiation of the sources placed inside these cavities or facing it is made uniform, losing any spatial reference and therefore being able to be measured with precision. The measurement scheme therefore implies that the source to be measured is placed in a homogenizing medium and measured by means of a spatially reduced area sensor independent of the size of the source itself.

Tale metodologia presenta notevoli limitazioni, che saranno brevemente elencate di seguito. This methodology has significant limitations, which will be briefly listed below.

Innanzitutto, la deviazione della cavità dalla forma ideale sferica induce un errore proporzionalmete maggiore, tanto maggiore è la deviazione stessa. Questa caratteristica rende particolarmente ingombranti i sistemi stessi; l'esempio del tubo al neon è particolarmemte calzante, in quanto partendo da una struttura "quasi" mododimensionale si deve realizzare una sfera che ha il diametro proporzionato a tale dimensione. First, the deviation of the cavity from the ideal spherical shape induces a proportionally greater error, the greater the deviation itself. This feature makes the systems themselves particularly cumbersome; the example of the neon tube is particularly fitting, since starting from an "almost" mododimensional structure, a sphere must be created which has a diameter proportionate to this dimension.

Inoltre, un'altra notevole sorgente di errore nella misura risiede nel rapporto tra la dimensione della sorgente da misurare e il diametro della sfera stessa o, più in generale, qualunque deviazione dalla sorgente puntiforme induce un errore nella misura; ad esempio la misura di una sorgente di 100 mm di lunghezza richiede un diametro di sfera di almeno 1000 mm. Furthermore, another significant source of error in the measurement lies in the relationship between the size of the source to be measured and the diameter of the sphere itself or, more generally, any deviation from the point source induces an error in the measurement; for example, the measurement of a source of 100 mm in length requires a sphere diameter of at least 1000 mm.

La necessità di utilizzare sistemi di omogeneizzazione della radiazione deriva dalla mancanza di sensori spazialmente estesi ad un costo accettabile. The need to use radiation homogenization systems derives from the lack of spatially extended sensors at an acceptable cost.

In vista dello stato della tecnica, scopo del presente trovato è quello di fornire un dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da sorgenti luminose estese che sia più semplice dei dispositivi noti e che pertanto abbia un più basso costo realizzativo. In view of the state of the art, the object of the present invention is to provide a device for detecting the radiation emitted by extended light sources which is simpler than known devices and which therefore has a lower manufacturing cost.

In accordo alla presente invenzione detto scopo viene raggiunto mediante un dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da una sor gente luminosa estesa, detto dispositivo comprendendo una struttura cava in cui detta sorgente luminosa estesa viene introdotta, caratterizzato dal fatto che detta struttura cava comprende almeno una cella solare atta a rilevare la radiazione emessa da detta sorgente luminosa estesa. According to the present invention, said object is achieved by means of a device for detecting the radiation emitted by an extended light source, said device comprising a hollow structure in which said extended light source is introduced, characterized in that said hollow structure comprises at least one cell solar device adapted to detect the radiation emitted by said extended light source.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali: The characteristics and advantages of the present invention will become evident from the following detailed description of a practical embodiment thereof, illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings, in which:

la figura 1 è una vista schematica frontale del dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da sorgenti luminose estese in accordo alla presente invenzione; Figure 1 is a schematic front view of the device for detecting the radiation emitted by extended light sources according to the present invention;

le figure 2, 3 e 4 sono rispettivamente una vista dall’alto e viste laterali rispetto alla vista dall’alto del dispositivo di figura 1; Figures 2, 3 and 4 are respectively a top view and side views with respect to the top view of the device in figure 1;

la figura 5 è una sezione longitudinale del dispositivo di figura 1 ; figure 5 is a longitudinal section of the device of figure 1;

la figura 6 è una sezione trasversale del dispositivo di figura 1 ; figure 6 is a cross section of the device of figure 1;

la figura 7 è un grafico della caratteristica potenza ottica-tensione del dispositivo di figura 1. Figure 7 is a graph of the optical power-voltage characteristic of the device of Figure 1.

Nelle figure 1-6 è mostrato un dispositivo di rilevazione della radiazione emessa da sorgenti luminose estese in accordo alla presente invenzione. Detto dispositivo, come visibile nelle figure 1-6, comprende una struttura cava a parallelepipedo 1 comprendente come elementi attivi celle solari 2 portate da una struttura metallica 3 elettricamente isolata. Figures 1-6 show a device for detecting the radiation emitted by extended light sources according to the present invention. Said device, as visible in Figures 1-6, comprises a parallelepiped hollow structure 1 comprising as active elements solar cells 2 carried by an electrically insulated metal structure 3.

E’ noto che una cella solare è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come generatore di corrente, proporzionale alla potenza luminosa incidente sul dispositivo stesso Lo spettro di assorbimento di tali dispositivi dipende dal materiale attivo utilizzato, potendo questo variare, ad esempio, da Silicio a CdTe a CuInGaSe, che rappresentano la parte più rilevante dei sistemi attualmente utilizzati. Lo spettro solare al suolo presenta una distribuzione di energia nell’ intervallo tra 300 nm e 2200 nm, con circa il 50% dell’ energia concentrato nella parte visibile dello spettro tra 400 e 700 nm; i sistemi di materiale sono sviluppati per ottimizzare la risposta in questo intervallo spettrale. It is known that a solar cell is a device capable of converting solar energy directly into electrical energy by means of a photovoltaic effect and is used as a current generator, proportional to the light power incident on the device itself.The absorption spectrum of these devices depends on the active material used, this being able to vary, for example, from Silicon to CdTe to CuInGaSe, which represent the most relevant part of the systems currently used. The solar spectrum on the ground has an energy distribution in the range between 300 nm and 2200 nm, with about 50% of the energy concentrated in the visible part of the spectrum between 400 and 700 nm; material systems are developed to optimize the response in this spectral range.

Le celle solari 2 utilizzate nel dispositivo in accordo all’invenzione sono di tipo mono o policristalline, tagliate opportunamente mediante tecnologia laser a basso danno e montate sulla struttura metallica 3 atta a sostenerle . Le celle solari 2 sono collegate ad un dipositivo elettronico di raccolta dei segnali elettrici emessi da ogni singola cella solare 2 per effettuare la misura della potenza di emissione della sorgente luminosa estesa in esame; detto dispositivo elettronico è preferibilmente esterno al dispositivo in accordo all’invenzione. The solar cells 2 used in the device according to the invention are of the mono or polycrystalline type, suitably cut by low damage laser technology and mounted on the metal structure 3 suitable to support them. The solar cells 2 are connected to an electronic device for collecting the electrical signals emitted by each single solar cell 2 to measure the emission power of the extended light source under examination; said electronic device is preferably external to the device in accordance with the invention.

In particolare le celle solari 2 sono preferibilmente di tipo silicio policristallino, tagliate mediante processo laser UV a 355 nm, a basso danno, tale da mantenere le caratteristiche elettro-ottiche della cella integra. In alternativa, tali elementi attivi possono essere formati da silicio monocristallino, oppure a film sottile CdTe ovvero CIGS su substrati rigidi cioè con tecnologie più semplici che non necessitano di processi laser per il taglio. Inoltre, l’elemento attivo è realizzabile in simmetria perfettamente cilindrica utilizzando celle a film sottile flessibili, quali Si, CdTe o CIGS su Kapton o supporti simili, tagliate e ripiegate lungo Tasse. I dispositivi così realizzati hanno mostrato un alto livello di saturazione, buona dinamica, una notevole linearità nella risposta ed una grande ripetibilità della misura. In particular, the solar cells 2 are preferably of the polycrystalline silicon type, cut by a low damage UV laser process at 355 nm, such as to maintain the electro-optical characteristics of the intact cell. Alternatively, these active elements can be formed of monocrystalline silicon, or CdTe or CIGS thin film on rigid substrates, ie with simpler technologies that do not require laser cutting processes. Furthermore, the active element can be made in perfectly cylindrical symmetry using flexible thin film cells, such as Si, CdTe or CIGS on Kapton or similar supports, cut and folded along Tasse. The devices thus made showed a high level of saturation, good dynamics, a remarkable linearity in the response and a great repeatability of the measurement.

Le celle solari 2 nella particolare forma di realizzazione dell’ invenzione visibile nelle figure 1-6 sono in numero di quattro, preferibilmente di dimensioni di 13 x 100 mm. Ogni cella solare 2 comprende una piastra di contatto metallica 20 per il contatto elettrico, The solar cells 2 in the particular embodiment of the invention visible in figures 1-6 are four in number, preferably with dimensions of 13 x 100 mm. Each solar cell 2 comprises a metal contact plate 20 for electrical contact,

Le celle solari 2 così realizzate sono montate sulla struttura metallica 3 elettricamente isolata, sono collegate elettricamente tra loro ed i terminali elettrici sono portati su un unico connettore 60. The solar cells 2 thus made are mounted on the electrically insulated metal structure 3, are electrically connected to each other and the electrical terminals are carried on a single connector 60.

La struttura metallica 3, come meglio visibile nelle figure 5 e 6, è delimitata longitudinalmente da piastre rettangolari terminali 5 e 6. Dalle piastre terminali 5 e 6 si dipartono quattro prolungamenti longitudinali metallici 52 adiacenti agli spigoli delle piastre 5 e 6; detti prolungamenti sono quattro e sono compresi fra le piastre terminali 5 e 6. Ogni prolungamento 52 comprende spigoli 51 opportunamente sagomati in modo tale che le celle solari 2 siano attaccate a detti spigoli. In particolare ogni prolungamento 52 comprende uno spigolo 51 configurato in modo che un’estremità 21 della piastra 20 possa essere fissata allo spigolo 51. Preferibilmente le quattro celle solari 2 di uguali dimensioni vengono disposte in modo da formare un parallelepipedo a base quadrata, come meglio visibile nella figura 6. The metal structure 3, as better seen in Figures 5 and 6, is longitudinally delimited by rectangular terminal plates 5 and 6. From the terminal plates 5 and 6 four longitudinal metal extensions 52 branch off, adjacent to the edges of the plates 5 and 6; said extensions are four and are comprised between the end plates 5 and 6. Each extension 52 comprises edges 51 suitably shaped so that the solar cells 2 are attached to said edges. In particular, each extension 52 comprises an edge 51 configured so that an end 21 of the plate 20 can be fixed to the edge 51. Preferably, the four solar cells 2 of equal size are arranged so as to form a parallelepiped with a square base, as best visible in figure 6.

La struttura metallica 3 e le celle solari 2 sono protetti mediante un involucro 30 Il dispositivo 1 comprende una parte terminale metallica 9 per la protezione di terminali elettrici 10 che fuoriescono dalla parte terminale 6 del dispositivo . The metal structure 3 and the solar cells 2 are protected by a casing 30 The device 1 comprises a metal terminal part 9 for the protection of electrical terminals 10 which protrude from the terminal part 6 of the device.

Sulle piastre terminali 5 e 6 sono realizzati alloggiamenti 53 per accogliere un tubo di vetro o quarzo 7, atto a proteggere gli elementi attivi, cioè le celle solari 2, da possibili contaminazioni dall’ambiente esterno, e capace di guidare la sorgente luminosa da misurare; infatti la sorgenta luminosa deve essre immessa all’interno del tubo 7 per essere misurata. Il tubo di vetro o quarzo 7 è chiuso da un tappo 71 neH’estremità del tubo 8 che termina nella piastra 6. Housings 53 are formed on the end plates 5 and 6 to accommodate a glass or quartz tube 7, suitable for protecting the active elements, i.e. the solar cells 2, from possible contamination from the external environment, and capable of guiding the light source to be measured. ; in fact the light source must be placed inside the tube 7 to be measured. The glass or quartz tube 7 is closed by a cap 71 in the end of the tube 8 which ends in plate 6.

Sulla piastra 5 è altresì realizzato un canale connettorizzato 8 che spilla parte della radiazione della sorgente e lo accoppia ad una fibra ottica per poter eventualmente effettuare una analisi spettrale della sorgente stessa. A connectorized channel 8 is also provided on the plate 5 which taps part of the radiation from the source and couples it to an optical fiber in order to possibly carry out a spectral analysis of the source itself.

Preferibilmente le celle solari 2 sono incollate sulla struttura 3 di alluminio anodizzato. Preferably the solar cells 2 are glued onto the anodized aluminum structure 3.

Sul connettore vengono portati i terminali elettrici delle celle solari 2 ed i terminali del sensore di temperatura eventualmente presente The electrical terminals of the solar cells 2 and the terminals of the temperature sensor, if present, are brought to the connector

I sensori a celle solari 2 sono costituiti da silicio o, più in generale, da materiale semiconduttore, la cui dipendenza della risposta fotoelettrica dalla temperatura è ben nota, e deve essere tenuta in conto per consentire la misura di flusso totale entro le specifiche definite per ogni singola applicazione. Ad esempio, le applicazioni medicali della categoria PDT richiedono che le sorgenti siano controllate a /- 10% della potenza nominale; tipicamente per garantire tali prestazioni il sistema di misura deve misuare con una precisione di /- 3%. The solar cell sensors 2 are made of silicon or, more generally, of semiconductor material, the dependence of the photoelectric response on the temperature is well known, and must be taken into account to allow the measurement of total flux within the specifications defined for every single application. For example, medical applications of the PDT category require that the sources be controlled at +/- 10% of the nominal power; typically to guarantee such performances the measuring system must measure with an accuracy of +/- 3%.

II dispositivo in accordo all’invenzione viene calibrato in potenza utilizzando sorgenti diffuse calibrate, tracciabili NIST. The device according to the invention is calibrated in power using calibrated diffuse sources, traceable to NIST.

Il particolare dispositivo della forma di realizzazione dell’invenzione presenta una caratteristica potenza ottica-tensione lineare senza mostrare saturazione del segnale sino alla potenza di 2 W totali emessi da una sorgente luminosa con lunghezza di 25 mm, nella figura 7 è mostrato un grafico della variazione della tensione di uscita Vout misurata sul connettore 60 del dispositivo in accordo all’invenzione in funzione della potenza ottica P emessa dalla sorgente luminosa estesa misurata. Tale comportamento è consistente con il disegno delle celle stesse in modo tale da garantire la massima efficienza di raccolta sino ad un’alta temperatura di funzionamento (superiore a 70 °C); la saturazione è stimabile in più di 15 W medi nella regione dello spettro dove si posiziona il massimo assorbimento delle celle stesse. La caratteristica potenza otticatensione presenta la tipica non linearità esponenziale delle giunzioni P-N a basso livello di iniezione. La tensione di ginocchio risulta notevolmente inferiore rispetto ai circa 0,88 V di una giunzione P-N degenere su entambi i lati ad opposto drogaggio. Tale ridota tensione di ginocchio deriva inoltre dalla policristallinità del materiale, con i bordi di grado a fornire percorsi di shunt ai portatori inietati. Tale comportamento permete Γ utilizzo anche a bassa illuminazione del dispositivo. The particular device of the embodiment of the invention has a linear optical power-voltage characteristic without showing signal saturation up to a total power of 2 W emitted by a light source with a length of 25 mm, in figure 7 a graph of the variation is shown of the output voltage Vout measured on the connector 60 of the device according to the invention as a function of the optical power P emitted by the measured extended light source. This behavior is consistent with the design of the cells themselves in such a way as to ensure maximum collection efficiency up to a high operating temperature (above 70 ° C); saturation can be estimated at more than 15 W average in the region of the spectrum where the maximum absorption of the cells themselves is located. The characteristic voltage-optic power exhibits the typical exponential non-linearity of low-injection level P-N junctions. The knee voltage is considerably lower than the approximately 0.88 V of a degenerate P-N junction on both sides with opposite doping. This reduced knee strain also arises from the polycrystallinity of the material, with the grade edges providing shunt paths to the injured wearers. This behavior allows use even at low lighting of the device.

Il dispositivo in accordo alla presente invenzione è predisposto per l’utilizzo di componenti ati alla misura della composizione spetrale della radiazione analizzata. Tale analisi può essere effettuata con tecniche e dispositivi di arte ben nota, quali spetrometri basati sulla dispersione cromatica della radiazione o con filtri passabanda con lunghezza d’onda centrale e larghezza di banda definibili a piacere entro i limiti tecnologici conosciuti. The device in accordance with the present invention is designed for the use of components suitable for measuring the spectral composition of the analyzed radiation. This analysis can be carried out with techniques and devices of well-known art, such as spectrometers based on the chromatic dispersion of radiation or with bandpass filters with central wavelength and bandwidth that can be defined at will within the known technological limits.

I vantaggi del dispositivo in accordo alla presente invenzione sono il basso costo realizzativo, l'alta linerità della risposta, la misura direta della potenza luminosa emessa, la realizzazione di struture estremante compate "pseudolineari", e l'altissima dinamica nella risposta. Il dispositivo in accordo aU’invenzione è impiegabile, ad esempio, nella misura della radiazione emessa da diodi laser impiegati nella terapia fotodinamica (PDT). L'efficacia terapeutica è stretamente determinata dalla dose di radiazione (Joule) "somministrata" al paziente. La misura di tale dose può essere dedotta quindi con il dispositivo a celle solari precedentemente descrito. The advantages of the device according to the present invention are the low manufacturing cost, the high linearity of the response, the direct measurement of the emitted light power, the realization of extremely compact "pseudolinear" structures, and the very high dynamic response. The device according to the invention can be used, for example, in the measurement of the radiation emitted by laser diodes used in photodynamic therapy (PDT). Therapeutic efficacy is strictly determined by the dose of radiation (Joule) "administered" to the patient. The measure of this dose can then be deduced with the previously described solar cell device.

Claims

CLAIMS 1. Device for detecting the radiation emitted by an extended light source, said device comprising a hollow structure (1) into which said extended light source is introduced, characterized in that said hollow structure comprises at least one solar cell (2) suitable for detecting the radiation emitted by said extended light source.

2. Device according to claim 1, characterized in that said hollow structure (1) comprises an electrically insulated metal structure (3) adapted to carry said at least one solar cell (2).

3. Device according to claim 2, characterized in that it comprises four solar cells (2) electrically connected to each other, said metal structure being in the shape of a parallelepiped and said four solar cells (2) being arranged on the lateral walls of the parallelepiped.

4. Device according to claim 3, characterized in that said solar cells (2) have equal dimensions.

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises insulation means (7) suitable for protecting said at least one solar cell (2) from the external environment and arranged inside the hollow structure, said insulation means ( 7) being hollow, being able to accommodate said extended light source and being arranged inside said metal structure (3).

6 Device according to claim 5, characterized in that said insulating means (7) comprise a glass tube

7. Device according to claim 5, characterized in that said insulating means (7) comprise a quartz tube.

8 Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said at least one solar cell (2) comprises polycrystalline silicon or monocrystalline silicon or CdTe thin film or CIGS thin film.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said at least one solar cell (2) is cut by means of a low damage process.

10 Apparatus for measuring the power emitted by an extended light source, said apparatus comprising a device for detecting the radiation emitted by said extended light source as defined in any one of the preceding claims and means for measuring the power of the detected radiation.